【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中完成復(fù)雜的任務(wù)，能夠跨越臺階、壕溝等障礙，具有爬坡能力，在直行路面能以較快的速度行走。配合一些攝像頭、溫濕度傳感器、有毒氣體檢測儀等，通過無線傳輸?shù)姆绞綄?fù)雜環(huán)境中的圖像，溫濕度以及有毒氣體含量等數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，實(shí)現(xiàn)無線控制和信息傳輸。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，參考了國內(nèi)外研制的各種地面輪式機(jī)器人，在分析其機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動性能后，提出可變形的六輪機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，采用四輪驅(qū)動，獨(dú)立懸掛，由差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。在機(jī)構(gòu)可靠性，運(yùn)動特性及造價(jià)方面具有明顯的優(yōu)勢。由于要越過臺階，選擇了較大直徑的越野輪胎，越野輪胎表面的胎紋粗糙，有助于增加抓地力。輪胎的直徑?jīng)Q定了機(jī)器人的最小軸距和最短長度，機(jī)器人尺寸影響通過非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境的能力，自重決定著驅(qū)動電機(jī)的功率，能耗和續(xù)航能力。為了減小機(jī)器人的尺寸，設(shè)計(jì)出了六輪的輪式機(jī)器人，輪胎直徑較小。前輪和后輪通過電動推桿可以將前后輪靈活升降，幫助機(jī)器人越過高的臺階。將輪式、腿式及其曲柄結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起更加增強(qiáng)了輪式機(jī)器人的越障能力。 論文章節(jié)結(jié)構(gòu) 論文主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：第1章 綜述國內(nèi)外輪式機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)并展望目前救援機(jī)器人的發(fā)展趨勢。第2章 對輪式機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)使用的三維建模軟件UG和控制系統(tǒng)的介紹。第三章 對機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，主要包括提出本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人行走就的設(shè)計(jì)要求和指標(biāo)，對幾種輪式輪式機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析總結(jié)、分析輪式輪式機(jī)器人的運(yùn)動條件并提出本文機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的四輪和六輪的方案模型。第四章 根據(jù)提出的設(shè)計(jì)要求與指標(biāo)對四輪機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動進(jìn)行計(jì)算分析和減速電機(jī)的選取，在遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，考慮到加工的成本和周期，選取的四輪機(jī)器人的零部件均為標(biāo)準(zhǔn)件，對行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行越障運(yùn)動分析和場地實(shí)驗(yàn)分析。包括高臺跨越，爬坡等實(shí)驗(yàn)。第五章 根據(jù)提出的設(shè)計(jì)要求與指標(biāo)對六輪機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動進(jìn)行計(jì)算分析和減速電機(jī)的選取，在遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，考慮到加工的成本和周期，選取的六輪機(jī)器人的零部件均為標(biāo)準(zhǔn)件，對行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行越障運(yùn)動分析和場地實(shí)驗(yàn)分析。編寫上位機(jī)軟件，使用無線通信模塊和單片機(jī)，對六輪機(jī)器人無線遙控。第六章 結(jié)論與展望2 建模軟件概述與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)UG軟件作為美國UGS公司的旗艦產(chǎn)品，是當(dāng)今最流行CAD/CAE/CAM一體化軟件，為用戶提供了最先進(jìn)的集成技術(shù)和一流實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的解決方案，能夠把任何產(chǎn)品的構(gòu)思付諸實(shí)際。UG NX6是UG系列軟件的最新版本，2008年7月發(fā)布。其不僅具有UG以前版本的強(qiáng)大功能，而且用戶界面更加靈活。并由多個應(yīng)用模塊組成，使用這些模塊，可以實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)、繪圖、裝配、輔助制造和分析一體化。隨著版本的不斷更新和功能的不斷補(bǔ)充，使其向?qū)I(yè)化和智能化不斷邁進(jìn)，例如電器布線、航空鈑金、車輛設(shè)計(jì)等[16]。 UG軟件的特點(diǎn)UG NX 6采用復(fù)合建模技術(shù)，融合了實(shí)體建模、曲面建模和參數(shù)化建模等多方面的技術(shù)，摒棄了傳統(tǒng)建模設(shè)計(jì)意圖傳遞與參數(shù)化建模嚴(yán)重依賴草圖，以及生成和編輯方法單一的缺陷。用戶可根據(jù)自身需要和習(xí)慣選擇適合自身的建模方法。UG NX 6系統(tǒng)提供了一個基于過程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境，使產(chǎn)品開發(fā)從設(shè)計(jì)到加工真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成，從而優(yōu)化了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造。UG面向過程驅(qū)動的技術(shù)是虛擬產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，在面向過程驅(qū)動技術(shù)的環(huán)境中，用戶的全部產(chǎn)品以及精確的數(shù)據(jù)模型能夠在產(chǎn)品開發(fā)全過程的各個環(huán)節(jié)保持相關(guān)，從而有效地實(shí)現(xiàn)了并行工程。該軟件不僅具有強(qiáng)大的實(shí)體造型、曲面造型、虛擬裝配和產(chǎn)生工程圖等設(shè)計(jì)功能，而且在設(shè)計(jì)過程中可進(jìn)行有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析、動力學(xué)分析和仿真模擬，提高設(shè)計(jì)的可靠性。同時(shí)，可用建立的三維模型直接生成數(shù)控代碼，用于產(chǎn)品的加工，其后處理程序支持多種類型數(shù)控機(jī)床。另外，它所提供的二次開發(fā)語言UG/Open GRIP、UG/Open API簡單易學(xué)，實(shí)現(xiàn)功能多，便于用戶開發(fā)專用CAD系統(tǒng)。 實(shí)體建模綜述UG NX6提供了特征建模模塊、特征操作模塊和特征編輯模塊，具有強(qiáng)大的實(shí)體建模功能，并且在原有版本基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改進(jìn)，提高了用戶設(shè)計(jì)意圖表達(dá)的能力。使造型操作更簡便、更直觀、更實(shí)用。在建模和編輯的過程中能夠獲得更大的、更自由的創(chuàng)作空間，而且花費(fèi)的精力和時(shí)間相比之下更少了。使用UG NX 6對輪式機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)和輔助制造，基本可以分為以下步驟：新建文件→創(chuàng)建草圖→UG實(shí)體建?！鷦?chuàng)建工程圖→機(jī)械加工。在UG NX 6工程設(shè)計(jì)前，需要新建一個文件。 創(chuàng)建草圖步驟當(dāng)需要參數(shù)化地控制曲線、或通過建立標(biāo)準(zhǔn)幾個特征無法滿足設(shè)計(jì)需要時(shí)，通常需創(chuàng)建草圖。草圖創(chuàng)建過程因人而異，下面介紹其一般的操作步驟。1) 設(shè)置工作圖層，即草圖所在的圖層。如果在進(jìn)入草圖工作界面前未進(jìn)行工作圖層設(shè)置，則一旦進(jìn)行草圖工作界面，一般很難進(jìn)行工作圖層的設(shè)置?？稍谕顺霾輬D界面后，通過“移動到圖層”功能將草圖對象移到指定的圖層。2）檢查或修改草圖參數(shù)預(yù)設(shè)置。3）進(jìn)入草圖界面。執(zhí)行“插入”|“草圖”|命令，進(jìn)入草圖工作界面。在“草圖生成器”工具欄的“草圖名”文本框中，系統(tǒng)會自動命名該草圖名。用戶也可以便于管理將系統(tǒng)自動命名編輯修改為其他名稱。 新建文件對話框4）設(shè)置草圖附著平面。利用草圖對話框，指定草圖附著平面。指定草圖平面后，一般情況下，系統(tǒng)將自動轉(zhuǎn)正到草圖的附著平面，用戶也可以根據(jù)需要重新定義草圖的視圖方向。5）創(chuàng)建草圖對象。6）添加約束條件，包括尺寸約束和幾何約束。7）單擊“完成草圖”按鈕，退出草圖環(huán)境。 實(shí)體建模的優(yōu)點(diǎn)和步驟1）UG實(shí)體建模，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等建模方法，并輔之以布爾運(yùn)算，使用戶既可以進(jìn)行參數(shù)化建模，又可以方便地使用非參數(shù)方法生成三維模型。另外還可以對部分參數(shù)化或非參數(shù)化模型再進(jìn)行二次編輯，以方便生成復(fù)雜機(jī)械零件的實(shí)體模型，具體有以下優(yōu)點(diǎn)：2）UG實(shí)體建模充分繼承了傳統(tǒng)意義上的線、面、體造型特點(diǎn)及長處，能夠方便迅速地創(chuàng)建二維和三維線實(shí)體模型。而且還可以通過其它特征操作和特征編輯模塊對實(shí)體進(jìn)行各種操作和編輯。將復(fù)雜的實(shí)體造型大大簡化。3）UG實(shí)體建模能夠保持原有的關(guān)聯(lián)性，可以引用到二維工程圖、裝配、加工、機(jī)構(gòu)分析和有限元分析中。4）UG實(shí)體建模提供了概念設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。5）UG實(shí)體建模具備對象顯示和面向?qū)ο蠼换ゼ夹g(shù)，不僅顯示效果明晰而且可以改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)度。6）UG實(shí)體建模采用主模型設(shè)計(jì)方法，驅(qū)動后續(xù)應(yīng)用，如工程制圖、加工等，實(shí)現(xiàn)并行工程。主模型修改后，其它應(yīng)用自動更新，避免重復(fù)。7）UG實(shí)體建?？梢赃M(jìn)行測量和簡單物理特性分析。 創(chuàng)建工程圖通常，創(chuàng)建工程圖前，用戶需要完成三維模型的設(shè)計(jì)。在三維模型的基礎(chǔ)上就可以應(yīng)用工程圖模塊創(chuàng)建二維工程圖了，其一般的操作步驟如下所述。1）創(chuàng)建圖紙。執(zhí)行“開始”|“制圖”命令，將顯示“工作表”對話框。利用該對話框?yàn)閳D紙頁指定各種圖紙參數(shù)，包括圖紙大小、縮放比例、測量單位和投影角度。2）參數(shù)預(yù)設(shè)置。執(zhí)行“首選項(xiàng)”|“制圖”命令，進(jìn)入“制圖首選項(xiàng)”對話框，對制圖相關(guān)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)置。3）導(dǎo)入模型視圖。4）在工程視圖中添加視圖。5）添加尺寸標(biāo)注、公差標(biāo)注、文字標(biāo)注等。6）存盤，打印輸出。 UG NX 6尺寸標(biāo)注特點(diǎn)尺寸標(biāo)注用于標(biāo)識對象的尺寸大小。由于UG工程圖模塊和三維實(shí)體造型模塊是完全關(guān)聯(lián)的，因此，在工程圖中進(jìn)行標(biāo)注尺寸就是直接引用三維模型真實(shí)的尺寸，具有實(shí)際的含義，因此無法像二維軟件中的尺寸可以進(jìn)行改動，如果要改動零件中的某個尺寸參數(shù)需要在三維實(shí)體中修改。如果三維被模型修改，工程圖中的相應(yīng)尺寸會自動更新，從而保證了工程圖與模型的一致性。 小型輪式機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)意味著通過它可以按照所希望的方式保持和改變機(jī)器、機(jī)構(gòu)或其他設(shè)備內(nèi)任何感興趣或可變化的量。控制系統(tǒng)同時(shí)是為了使被控制對象達(dá)到預(yù)定的理想狀態(tài)而實(shí)施的?？刂葡到y(tǒng)使被控制對象趨于某種需要的穩(wěn)定狀態(tài)。由被控制對象和控制裝置所構(gòu)成，能對被控制對象的工作狀態(tài)進(jìn)行遙控或自控的系統(tǒng)。輪式機(jī)器人的控制采用遙控的系統(tǒng)，對輪式機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及六輪機(jī)器人的升降系統(tǒng)的升降控制。其中控制系統(tǒng)中涉及到硬件和軟件以下將分別介紹。 基于STC89C52系列單片機(jī)的開發(fā)板由于本論文中的輪式機(jī)器人還處于設(shè)計(jì)和開發(fā)階段，不需要處理大量的數(shù)據(jù)，只是執(zhí)行上位機(jī)傳過來的指令，數(shù)據(jù)量較小，特此選擇了入門級的STC89C51系列的單片機(jī)。網(wǎng)上很多的開發(fā)板都是比較成熟的產(chǎn)品，特此選擇了一款尺寸比較小，功能齊全的開發(fā)板.① 開發(fā)板具有以下硬件資源：1) 單片機(jī)32 個IO 口全部引出端口擴(kuò)展便于和其它擴(kuò)展板的連接2) 8位LED顯示、4位數(shù)碼管3)串口通信可做與PC之間數(shù)據(jù)的通信4)一路繼電器控制、一路蜂鳴器實(shí)驗(yàn)5)一路DS1820數(shù)字溫度傳感器實(shí)驗(yàn)6) AT24C02外部EEPROM存儲芯片7) DS1302時(shí)鐘芯片8)一路8位串行模數(shù)AD轉(zhuǎn)換芯片9)字符液晶LCD1602接口、圖形點(diǎn)陣液晶12864接口、圖形點(diǎn)陣液晶諾基亞LCD5110接口10) 44矩陣鍵盤、2個獨(dú)立的按鍵、 2個中斷按鍵② STC89C52單片機(jī)功能特性描述STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用STC公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。4路外部中斷，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷。ISP（在系統(tǒng)可編程）IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編輯器、仿真器，可通過串口（、）直接下載程序。 基于SI4432無線數(shù)據(jù)傳輸模塊無線射頻模塊選用SI4432作為無線收發(fā)芯片，它是一個CMOS射頻高度集成電路，包含所有ISM頻段應(yīng)用所需的發(fā)射和接收功能。頻率范圍為240～930 MHz；輸出功率為+20 dBm；接收靈敏度達(dá)到116 dBm。還包括比如天線分計(jì)算法、喚醒定時(shí)功能、低壓檢測、溫度傳感器等內(nèi)置功能。芯片內(nèi)部含有一個高性能的ADC在接收路徑和數(shù)字解調(diào)器當(dāng)中做解調(diào)、濾波和數(shù)據(jù)包處理[22]。這些功能使得它成本低，靈活性高，切換時(shí)間快，傳輸速率快。無線數(shù)傳模塊選用的是RFTR1TTL，無線模塊超薄超小，接收靈敏度高。模塊提供了多頻段多信道以及網(wǎng)絡(luò)ID來降低傳輸過程中的干擾以提高傳輸性能。可通過PC軟件或在線修改設(shè)置串口以及RF的相關(guān)參數(shù)。小體積、遠(yuǎn)距離傳輸、寬范圍的工作電壓乃至豐富便捷的編程設(shè)置使之得到非常廣泛的應(yīng)用。： RFTR1TTL無線收發(fā)模塊技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目指標(biāo)值傳輸距離1200m（）工作頻段選擇433/470/868/915MHz（可定制）信道數(shù)量40個可選數(shù)據(jù)傳輸率多種可選調(diào)制模式GFSK接口方式TTL靈敏度116dBm最大輸出功率100mW工作電壓3 6V工作溫度范圍20 +70℃無線數(shù)傳模塊到貨之后，首先對套件進(jìn)行焊接、組裝。焊接時(shí)烙鐵接地，進(jìn)行靜電防護(hù)。焊接結(jié)束后，將USB轉(zhuǎn)接頭上SET位的跳線帽插上，用于拉低模塊SET位，此時(shí)模塊處于設(shè)置狀態(tài)，對模塊初始化設(shè)置。① 上位機(jī)可以對模塊的波特率，傳輸速率，數(shù)據(jù)位等參數(shù)設(shè)置，也可以對模塊參數(shù)初始化，： 數(shù)傳模塊設(shè)置上位機(jī)界面圖1）Net Parameters（網(wǎng)絡(luò)參數(shù)）NET ID（網(wǎng)絡(luò)號）：相當(dāng)于給多個模塊分組，只有相同NET ID的模塊才能相互通信。NODE ID（節(jié)點(diǎn)號）：相當(dāng)于給模塊取名。2）Serial Parameters（串口參數(shù)）Baud Rate（串口波特率）： 此項(xiàng)為模塊與串口設(shè)備端連接的波特率，必須與設(shè)備相同。默認(rèn)為9600。Parity（校驗(yàn)）： Odd 奇校驗(yàn)，Even 偶校驗(yàn) ,None 無校驗(yàn)，默認(rèn)為None。Data bit（數(shù)據(jù)位）： 可設(shè)置為7，8，9，默認(rèn)為8位。Stop（停止位）：可設(shè)置為1，2， 默認(rèn)為1位。3）RF Parameters（無線參數(shù)）Band（中心頻率）：此項(xiàng)由模塊硬件電路決定，不能隨意修改。Channel（信道）：有40個信道可以設(shè)置，每個信道間隔1M，相同信道的模塊才能通信。Frequency（頻率）：選中不同的信道會顯示此時(shí)對應(yīng)的頻率是多少。Data Rate（空中速率）：無線空中速率，此速率設(shè)置要大于或等于串口波特率，默認(rèn)為9600。Power（發(fā)射功率）：總共可設(shè)置7級，第7時(shí)功率最大。默認(rèn)為7。設(shè)置完模塊參數(shù)以后點(diǎn)擊“SET”，設(shè)置生效，點(diǎn)擊”DEFAULT”，恢復(fù)默認(rèn)設(shè)置 ② 對數(shù)傳模塊的波特率，傳輸速率，數(shù)據(jù)位等參數(shù)設(shè)置后，就可以與單片機(jī)連接，組成無線遙控的接收端。 下位機(jī)連接圖。 RFTR引腳介紹表引腳定義描述VCC接電源正極（典型值5V）GND接電源地TXD串口通訊數(shù)據(jù)發(fā)射RXD串口通訊數(shù)據(jù)接收SET配置參數(shù)使能（低電平使能參數(shù)配置，默認(rèn)高電平輸出）CS模塊使能（低電平休眠，電流小于5uA,默認(rèn)高電平輸出） Modbus通訊協(xié)議通信協(xié)議又稱通信規(guī)程，是指通信雙方對數(shù)據(jù)傳送控制的一種約定。約定中包括對數(shù)據(jù)格式，同步方式，傳送速度，傳送步驟，檢糾錯方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守，它也叫做鏈路控制規(guī)程。Modbus是由Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌）在1979年發(fā)明的，是全